Термофильные бактерии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Термофильные бактерии

термофил лучистый гибок температура бактерия

Экологически обособленную группу в природе представляют термофильные микроорганизмы. Температурные условия вызывали в процессе эволюции появление микробных форм, которые оказались способными развиваться при разных температурах, в том числе и при высокой (50--93 °С).

Видная роль в изучении термофильных микроорганизмов принадлежит А. А. Имшенецкому, Е. Н. Мишустину, Б. Л. Исаченко и др. Эти ученые не ограничились разработкой только теоретической стороны проблемы явления термофилии, и их исследования имели важное практическое значение.

Одна из главных отличительных особенностей термофилов -- ускоренный обмен веществ. За последние годы благодаря новейшим методам исследования удалось накопить данные, частично раскрывающие механизмы, при помощи которых клетка защищается от воздействия высокой температуры. Установлено, что наиболее существенные изменения под воздействием высокой температуры претерпевают клеточные белки и липиды, с которыми связаны основные жизненные процессы.

Благодаря высокой скорости роста термофильные микроорганизмы могут найти широкое применение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Методы выделения термофильных и мезофильных бактерий в основном сходны. Различие заключается лишь в температуре выращивания. Для того чтобы точно установить оптимальную температуру развития и закрепить ее, культуру необходимо длительно (1 -- 2 месяца) пассировать (пересевать) в диапазоне найденного оптимума.

Температурные группы микроорганизмов. Термотолератность и термоустойчивость

Различные микроорганизмы могут развиваться при разных температурах: одни микробы хорошо растут при низких температурах, близких к О °С (+5 °С); другие, наоборот, способны к росту при высоких температурах (около 90 °С). Поэтому микроорганизмы делят по их отношению к температуре на три основные группы-- психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (предпочитающие низкие температуры) -- микроорганизмы, имеющие минимальную температуру роста ниже О °С.

Мезофилы (предпочитающие средние температуры) -- микроорганизмы, имеющие минимальную температуру роста выше, чем у психрофилов, а максимальную температуру ниже, чем у термофилов. Большинство микроорганизмов -- мезофилы, растущие обычно при температурах от 0--10 °С до 40--45 °С.

Термофилы (предпочитающие высокие температуры) -- микроорганизмы с максимальной температурой роста обычно выше 50 °С.

Что же такое минимальная и максимальная температуры роста? Минимальная -- это такая пороговая температура, при незначительном снижении которой скорость роста микроорганизма (прирост клеток за 1 ч) близка к нулю, т. е. практически рост прекращается. Максимальная температура -- пороговая температура, при незначительном повышении которой скорость роста микроорганизма близка к нулю.

При изучении особенностей каждого нового штамма обязательно определяют и оптимальную температуру, т. е. устанавливают тот температурный диапазон, в котором данный микроорганизм растет с максимальной скоростью.

При максимальной скорости роста микроорганизм, естественно, наиболее интенсивно размножается. Поэтому довольно часто скорость роста выражают как число генераций за 1 ч. Английский ученый Т. Д. Брок предложил схему, показывающую зависимость скорости роста (частоты генераций) от температуры для различных температурных групп микроорганизмов.

Причины, обуславливающие способность термофилов существовать при высоких температурах

Многие ученые давно пытались установить, почему термофильные микроорганизмы могут существовать при таких высоких температурах, как 50--90 °С. Оказалось, что как структурные и клеточные элементы, такие, как оболочка, мембраны, рибосомы, так и входящие в состав клетки протеины, жиры, ферменты заметно отличаются качественно и количественно от подобных клеточных компонентов мезофильных форм.

Выяснилось также, что если некоторые элементы клетки недостаточно стабильны к высокой температуре (например, рибонуклеиновые кислоты), то их синтез в клетке осуществляется с большей скоростью. В этом процессе участвуют ферменты, отличающиеся высокой термостабильностью.

Термофильные лучистые грибки (актиномицеты)

К термофильным лучистым грибкам относятся актиномицеты различных систематических групп, обладающие способностью развиваться при высоких температурах (50--60 °С), независимо от температурного минимума их роста.

Рис. 190. Схематическое изображение вегетативного и спороносного мицелия различных родов термофильных актиномпцетов.

Среди них встречаются актиномицеты, способные расти при 60--70 °С. Лучистые грибки, развивающиеся при обычных температурах (25 -- 30 °С), не растут при температуре 50 °С и выше.

Количественный учет термофильных актино-мицетов в почвах и компостах был проведен В. Ваксманом с сотрудниками в 1939 г. Термофильные актиномицеты были обнаружены во всех почвах и во все сезоны года. Особенно много их в почвах, удобренных навозом (в среднем 200 000 на 1 г в весенних и летних пробах). Зимой термофильные актиномицеты составляли 10--15% от всей термофильной микрофлоры; весной и летом 70--90%. Количество термофильных лучистых грибков не зависит от географической закономерности, а определяется экологическими факторами, в частности типом почвы и степенью ее окультуреннооти.

Рис. 191. Гигантские колонии различных актиномицетов при разных температурах. Уменьшено в 2,5 раза.

Н. Д. Красильников (1970) указывает, что в пределах одного семейства и рода (например, Micromonospora) могут быть как термофильные, так и мезофильные культуры; несмотря на довольно стойкий признак термофильности, видимо, нецелесообразно ориентироваться на него при характеристике родов или более крупных таксономических единиц.

Актиномицеты, способные развиваться при 40--60 СС, встречаются среди представителей различных родов, но чаще всего среди культур рода Micromonospora. Ранее признак термофильности отражали в некоторых родовых названиях актиномицетов, растущих при повышенных температурах (рис. 190). При идентификации термофильных актиномицетов используют, как обычно, культурал.ьные признаки.

Большинство известных термофильных лучистых грибков быстро гидролизуют крахмал, свертывают и пептонизируют молоко, разжижают желатин и т. д., что свидетельствует о высокой ферментативной активности и может быть использовано в практике. Однако эти культуральные свойства лабильны и поэтому, с точки зрения многих исследователей, не могут быть основными критериями при определении вида.

Другие культуральные свойства, такие, как восстановление нитратов, образование сероводорода, в большей степени отражают физиологические особенности микроорганизма, более стабильны и, следовательно, играют существенную роль при идентификации вообще и термофильных актиномицетов в частности.

Для выделения термофильных актиномицетов разными авторами использовались разные методики. Выделение этих микроорганизмов хорошо удается на крахмальном агаре, крах-мально-аммиачно-сульфатпом агаре, а также мясо-пептонном агаре (МПА). Лучшим для этой цели оказался крахмально-аммиачно-сульфатный агар, на котором наблюдается слабый рост более требовательных к среде термофильных бактерий и, наоборот, хороший рост термофильных актиномицетов. Наиболее подходящая температура для выделения 55--60 °С.

Культивируют термофильные актиномицеты на самых различных средах.

Для получения хорошего роста и споруляции этих микроорганизмов обычно используют крахмал и неочищенную мальтозу. К. Е. Эриксон отмечает, что Micromonospora vulgaris хорошо растет при использовании следующих источников азота: пептона, трип-тона, гидролизата, казеина. Многие термофильные актиномицеты нуждаются в дополнительных компонентах среды, представляющих собой смеси аминокислот, витаминов, пуринов и пиримидинов.

Термофильные актиномицеты обладают большой скоростью роста. Их жизненный цикл проходит гораздо быстрее, чем у мезофильных штаммов. Термофильные актиномицеты образуют разветвленный мицелий из гиф, диаметр которых от 0,2 до 1 мкм. На твердых средах они растут в виде плоских колоний, достигающих 3--4 см в диаметре, а иногда и до 6--8 см (рис. 191), часто покрытых налетом, состоящим из воздушных гиф со спорами. Термофильные актиномицеты образуют воздушный и субстратный мицелии. Гифы воздушного мицелия без спор термофильных лучистых грибков, как правило, белоснежно-белого цвета. Воздушный мицелий со спорами или сохраняет белый цвет, или приобретает темно-серый оттенок. Серо-зеленые, голубые и желтые штаммы встречаются реже.

У некоторых термофильных актиномицетов в процессе развития изменяется цвет колоний на агаре от белоснежно-белого до желтого, грязно-зеленоватого, коричневого, красноватого и даже черного. Многие представители термофильных лучистых грибков образуют растворимый пигмент, который проникает в среду и окрашивает ее в яркие цвета.

Рис. 192. Термофильный актиномпцет Actinomyces diastaticus, штамм 7. Вверху -- споры с шиповидной поверхностью (увел. X 10 000); внизу - форма спороносцев (увел. X 900).

Разные исследователи описывают наличие у термофильных актиномицетов прямых или спирально закрученных спороносцев (рис. 192). Имеются также формы с одиночными, парными спорами и спорами в виде цепочек, образованных на коротких веточках вегетативного воздушного мицелия. Споры всех термофильных актиномицетов круглые или эллипсоидальные (рис. 192) диаметром от 0,6 до 1,4 мкм. В них обнаружена дипиколиновая кислота, а также кальций и в меньшей степени магний, которые, как известно, обусловливают высокую термоустойчивость спор бактерий.

Изучение тонкого строения спор ряда актиномицетов позволило исследователям сделать вывод, что некоторые термофильные актиномицеты образуют споры, близкие по строению к спорам бактерий родов Bacillus и Clostridium.

Обмен веществ у термофильных микроорганизмов происходит более интенсивно, чем у мезофильных. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные о более высокой ферментативной активности термофилов и о повышенном количественном содержании в клетках термофильных микроорганизмов некоторых ферментов.

Так, при изучении цитохромов в клетках мезофильных и термофильных представителей различных родов актиномицетов было обнаружено, что у некоторых термофильных актиномицетов (Thermoactinomyces sp., Actinobi-fida dichotomica, Mycropolyspora sp.) оказалось больше цитохромов типов с и а; очевидно, некоторые участки цепи переноса электронов (в частности, цитохромная система) термофильных штаммов могут значительно отличаться от таковых у мезофильных форм.

Нередки случаи, когда термофильные актиномицеты способны образовывать в больших количествах экзоферменты, действующие на различные субстраты, что может быть использовано в практике. Так, выделен термофильный актиномицет Act. diastaticus штамм 7 (рис. 192), образующий целлюлозолитические и гемицеллюлозолитические ферменты. Однако образование подобных экзоферментов не является свойством, специфическим для термофилов.

С целью выяснения биохимических особенностей термофильных актиномицетов многие исследователи изучали состав нуклеотидов ДНК как термофильных, так и мезофильных видов. Результаты исследований дают возможность полагать, что термофильные актиномицеты содержат сравнительно меньше ГЦ (гуанин + цитозин) в составе ДНК, чем мезофиль-ные штаммы. Этот вопрос требует дальнейших исследований. В биомассе актиномицетов, выросших при высокой температуре (55--57 °С), содержится в 2 раза больше свободных нуклеотидов; количество нуклеиновых кислот, наоборот, падает. Свободные нуклеотиды, видимо, играют более значительную роль в интенсификации обмена веществ у термофилов по сравнению с мезофильными микроорганизмами.

Есть данные о том, что термофильные штаммы рода Actinomyces не чувствительны к фагам, активным против мезофильных штаммов того же рода, хотя существенных биохимических различий в составе клеточных стенок у мезофильных и термофильных актиномицетов не обнаружено.

Практическое значение термофильных бактений и актиномицетов

Термофильные бактерии используют для получения микробной биомассы, очистки сточных вод. Ценными являются продукты обмена веществ термофилов, выделяющиеся в окружающую среду. Эти микроорганизмы продуцируют такие физиологически активные вещества, как антибиотики, витамины, ферменты.

Обычно для получения микробной биомассы используют термотолерантные дрожжи. Их выращивают на средах, содержащих углеводы (сусловые среды), некоторые спирты или углеводороды нормального строения (н-алканы). В последнее время для этих целей применяют и термофильные бактерии.

Выросшая микробная биомасса вполне полноценна в пищевом отношении: содержит 40-- 60% белка, незаменимые аминокислоты, разнообразные витамины. Высушенная биомасса (в виде муки) -- белково-витаминный концентрат (БВК) -- в небольшом количестве добавляется к пищевому рациону животных.

Продукты обмена веществ термофильных бактерий нашли широкое применение в промышленности. Так, молочнокислые бактерии Bact. delbruckii используются как активные кислото-образователи. Еще в 1923 г. В. М. Шапошникову и А. Я. Мантейфель удалось наладить производство молочной кислоты с помощью термофильных бактерий. Ряд термофильных молочнокислых бактерий применяется в молочной промышленности для получения высококачественного творога.

Из различных физиологически активных веществ, продуцируемых термофильными микроорганизмами и используемых в практике, огромное значение имеют ферменты.

Список ферментов, продуцируемых термофильными микроорганизмами и применяемых в промышленности, очень обширен.

Так, в текстильной промышленности А. А. Имшенецким с сотрудниками была применена амилаза. Этот фермент образовывала термофильная бактерия Вас. diastaticus. Амилаза используется и в спиртовой промышленности для размягчения зерновых и картофельных сред при высоких температурах.

Протеазы применяют для переработки сырья животного происхождения (обезволашивания кожи, получения клея и т. д.). Выделены и изучены термофильные актиномицеты, активно образующие протеолитические и амилолитические ферменты, комплекс целлюлозе- и гемицеллюлозолитических ферментов.

Для получения целлюлолитических ферментов пытались использовать термофильные анаэробные бактерии и актиномицеты. С помощью целлюлолитических ферментов можно повысить питательную ценность грубых кормов для животных, осахаривать сульфатную целлюлозу до глюкозы, получая таким образом из непищевого сырья ценный питательный продукт. Эти ферменты способны расщеплять полисахариды одревесневших, растительных материалов (шелуха злаковых культур, подсолнечная лузга) до Сахаров (глюкозы и ксилозы). Следовательно, открывается возможность замены кислотного гидролиза древесины и различных отходов ферментативным гидролизом. При этом полностью ликвидируются расход минеральных кислот и необходимость применения высоких температур и давлений при превращении целлюлозы в сахара.

Чешские ученые используют термофильные грибы и актиномицеты, которые продуцируют разлагающие целлюлозу ферменты, для воздействия на различные субстраты.

Л. Г. Логиновой выделен термофильный актиномицет Micromonospora vulgaris штамм РА-П4, образующий комплекс литических ферментов. Эти ферменты разрушают клеточные стенки различных бактерий и дрожжей (мертвых и живых). Литические ферменты могут найти применение в различных областях народного хозяйства: в повышении усвояемости и питательной ценности кормовой микробной биомассы, в борьбе с бактериальными инфекциями человека и животных и в других областях.

Термофильные бактерии издавна применяются для очистки сточных вод. Интерес к метановому брожению резко возрос, когда была обнаружена способность бактерий продуцировать витамин В12. В. Н. Букин показал возможность получения этого ценного витамина при сбраживании термофильными метановыми бактериями ацетоно-бутиловой барды. Одновременно может быть собран выделяющийся при этом метан (10--20 м3 на 1 м3 сброженной жидкости).

Термофильные микроорганизмы играют существенную роль в круговороте веществ в природе: в разрушении нефтей и озокеритов, превращениях серы и других процессах. В ряде промышленных производств термофильные бактерии могут приносить и существенный вред: вызывают заражение сусла на пивоваренных заводах, порчу консервов (особенно анаэробные бактерии), сгущенного стерилизованного молока, сахарных сиропов. Поэтому необходимы надежные методы стерилизации.

Как для культивирования полезных форм термофильных бактерий, так и для методов борьбы с вредными для определенных процессов видами необходимо вести глубокое изучение морфологических, физиологических и биохимических особенностей этих микроорганизмов.

Размещено на Allbest.ru